大気中へのCO2排出を削減するには、火力発電所の使用を中止し、環境に優しいエネルギーに切り替える必要があります。 このような移行を一度に行うことはできません。まず、消費者への輸送およびさまざまな形式への変換中の損失を減らすために、すでに生成された電気の使用効率を高める必要があります。 これらの問題を解決するための重要な要素は、パワーエレクトロニクスとパワー半導体デバイスです。
エネルギーのソリューションは私たちのビジネスの最も重要なセグメントの1つであるため、私たちの仕事が世界をよりきれいにするためにどのように役立つかについて話すことが重要であると考えています。 特に、当社が製造するパワー半導体は大幅に電力を節約でき、その結果、環境に有害な発電所の建設を放棄できます。 パワー半導体が通常のものとどのように異なるかを理解し、その特性が電気を節約し、CO2排出を削減できることを見つけましょう。
パワー半導体デバイスの特徴
理論を掘り下げない場合、パワー半導体デバイスは同じダイオード、トランジスタ、サイリスタであり、その適用範囲を考慮して修正されています。 マイクロエレクトロニクスデバイスとは異なり、パワー半導体は数十、数百、数千アンペアの電流、数百メガボルトの電圧で使用されます。 このような負荷には、pn接合の破壊を排除するための特定の設計ソリューションが必要です。
たとえば、強力なパワーダイオードの基盤は、pn接合が形成されたシリコン単結晶の薄いプレートです。 加熱によるプレートの割れを防ぐために、厚さ3 mmまでのタングステンまたはモリブデンの熱補償ディスクに銀はんだではんだ付けします。 結果の「サンドイッチ」は、ピンまたはタブレットデザインの密閉されたハウジングに入れられます。
ピンダイオード設計。 出所
数十メガボルト以上の高電力の電気を変換するための主要な要素は、 高電圧サイリスタです。 構造的には、導電性が交互に変わる4つのシリコン層で構成され、その境界には3つのpn接合が形成されます。 2つの極端な遷移はアノードとカソードであり、中央の遷移はコントロールです。
サイリスタには、「オープン」（電流が流れる）と「クローズ」（電流が流れない）の2つの安定状態があります。 状態は、制御電極の電圧の影響下で変化します。 瞬時にではありませんが、切り替え自体は非常に迅速に行われます。 交流電圧回路では、サイリスタは半波を1つだけ通過します。 下半波が到着すると、「閉じた」状態にリセットされます。 サイリスタのこの特性は、正弦波をパルスに変換するためのスイッチング電源で使用されます。
サイリスタに基づいて、頑丈なコンバータは、直流電力線（電力線）、電力システム間の直流挿入、交流電力線の静的無効電力補償器で作成されます。
高電圧サイリスタのデバイス。 出所
電気の主な消費者は、メガボルト以下の容量で稼働しています。 この範囲の最も一般的な電力要素は、 バイポーラ電界効果トランジスタ 、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、IGBTです。 IGBTは、多くの基本セルの電力集積回路です。 各セルは、制御回路に含まれる電界効果トランジスタを備えた高電圧バイポーラトランジスタで構成されています。 IGBTの利点-オンとオフの切り替えと高速の制御回路での消費電力が小さい。
低電力コンバータ、 MOSトランジスタ 、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、MOSFETを構築するために使用されます。 これらのデバイスは、数十万個のトランジスタセルを含む電力集積回路の形でも作られています。 通常、MOS回路の動作電圧は500 V未満であり、動作電流は数百アンペアまでです。
半導体デバイスが使用される場所と理由
産業施設
その経済性、制御性、高効率により、パワー半導体デバイスは電力変換の効率を高めます。 ソフトスターター、無停電電源装置、電気モーター、およびさまざまな電気設備は、電力電子部品の使用により、消費電力が少なく、長持ちします。
電気モーターを搭載したデバイスでは、消費電力の半分以上が回転の確保に費やされます。 調整可能な半導体周波数コンバーターは、他の仕様に影響を与えることなく、電力消費を30％削減します。
電気ネットワーク
電力の輸送と配電に半導体コンバーターを使用すると、電力を最大25％節約できます。 このように、半導体パワーコンポーネントの広範な導入により、新しい発電所の建設を放棄し、既存の発電所の能力を不要にすることができます。
太陽光発電所
ソーラーパネルから受け取った電気は、送電網への伝送または家庭用に変換する必要があります。 太陽光発電所の制御にパワー半導体デバイスを使用すると、効率が向上します。
電気輸送
電気自動車はバッテリーに蓄えられたエネルギーを使用します。 パワーエレクトロニクスの使用により、自動車のさまざまな消費者のニーズに合わせたエネルギー変換が最小限の損失で行われます。 また、回復テクノロジーにより、ブレーキエネルギーをバッテリーの再充電に使用し、燃費を向上させることができます。
さらに、電気輸送の急速な発展により、半導体デバイスのメーカーが新しいパワーコンポーネントを作成するために、よりエネルギー効率の高い新しい材料を探すことを余儀なくされたことは興味深いことです。 分析研究によると、半導体産業は、通常のシリコン結晶の代わりに炭化ケイ素と窒化ガリウムの使用にその能力を大幅に変換しています。
新しい素材で作られたパワーエレメントは、従来のシリコン製のものよりもはるかにコンパクトです。これは、新世代の電源が80〜90％少なくなることを示唆しています。 さらに、これらの材料を使用したコンパウンドは、比出力が10倍高く、より高い周波数とより広い温度範囲で動作し、オープン状態の抵抗レベルとリーク電流は、シリコンの対応するものよりも大幅に低くなっています。
見込み
多くの政府が二酸化炭素排出量を削減するプログラムを採用しています。 たとえば、スペイン政府は2030年までにCO2排出量を20％、2050年までに1990年レベルから90％削減することを計画しています。 排出量削減における主要な役割は電力産業に割り当てられており、他の産業の変革は後に実施される予定です。
産業部門ごとのCO2削減計画。 スペイン、2019 出所
2030年までに、全国の電力産業の能力は157 GWに達すると推定されています。 これらのうち、50 GWは風力発電所から、37 GWは太陽光発電太陽光発電所、27 GWは複合サイクル電力によって供給されます。
さらに、法律のパッケージでは、スペインの2040年からゼロエミッションの自動車のみを購入することが可能になると規定されています。
同様の法律パッケージがすでに採用されているか、EU諸国で検討されています。 これは、今後数十年で、環境状況を改善するための計画された対策の実施が単に不可能になるため、パワー半導体デバイスの販売の急速な成長が期待できることを意味します。